新兴含能材料创制：原子氮聚合物常压合成 | 进展

颠覆性含能材料指能量密度比常规含能材料高一个量级以上的新一类高能量密度物质，是含能材料研究的前沿和难点，典型代表之一为聚合氮化合物。氮气分子由N≡N三键组成，约为946kJ/mol的键能成为储存最强化学能的双原子分子之一，氮因之成为含能材料的重要组成。理论预测,氮分子在高压将转化为N-N单键组成的具有立方偏转结构的原子晶体即聚合氮(简称cg-N)，其中N-N单键的键能约为160kJ/mol。由于N-N单键和N≡N三键之间巨大的键能差，当聚合氮转化为氮气时将释放巨大能量，聚合氮成为物理和材料科学战略性基础材料的重要研究对象。

中国科学院物理研究所高压团队从上个世纪九十年代起，开展氮的物理压缩技术攻坚，研究了氮随压力的结构演变。德国马普所的科学家于2005年在100万级高压和1000℃高温条件首次实现聚合氮的制备，但只能在高压条件维持聚合氮结构，无法常压条件回收。如何在常压条件实现聚合氮的制备，成为新兴含能材料领域长期面临的重大挑战。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青团队长期开展高压极端条件新兴高能量密度含能材料的研制，设计研发了序列具有自主知识产权的高压、变温、强场综合极端条件材料先进实验装置，可实现低温流体原料封装、高压聚合化制备及多变量耦合的材料生长和表征。近期，靳常青研究员和张俊副研究员指导硕士研究生陈润滕等人，在聚合氮材料的常压研制上取得重要进展。团队突破了传统超高压聚合路线制备聚合氮材料难以稳定到常规条件的长期技术难题，独辟蹊径提出物理化学结合的“一锅法”聚合技术方案，成功制备了常压条件可稳定回收的具有立方构型的原子氮键合的聚合物。通过高分辨拉曼光谱表征，得到cg-N材料指纹振动谱，标志成功的实现N-N单键组成的cg-N材料。

图1.具有立方结构 (cg-N) 聚合氮物以及对应的拉曼谱

相关研究工作以“A facile route to synthesize cubic gauche polymeric nitrogen”为题发表在Science Bulletin上，研究生陈润滕为第一作者，靳常青和张俊为共同通讯作者。靳常青和张俊负责相应项目的运行，北京理工大学合作者参与了部分研究。本研究受到中国科学院稳定支持项目的资助。

编辑：余荫铠

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